Ett modernt flygplan innehåller mängder av avancerad mjukvara och elektronik (avionik) i form av sensorer som samlar information, enheter där information processas och utrustning som presenterar information för piloten. Under flygning sker en ständig uppdatering av denna information. Uppdateringarna utgörs av ett komplext flöde av data mellan de olika applikationerna samtidigt som de ställer krav på när aktiviteter får starta och ska vara klara.
Avioniksystem i moderna flygplan måste vara flexibla och skalbara
Flygindustrin har gått mot den standardiserade avionikarkitekturen Integrated Modular Avionics (IMA) där funktionerna delar processor- och kommunikationsresurser. Detta möjliggör besparingar med avseende på vikt och energiförbrukning, men framförallt möjliggör det flexibilitet och skalbarhet. Det här är kritiskt i framtida avioniksystem då utvecklingen av intelligenta system snabbt går framåt. Om det exempelvis vore förhindrande dyrt att uppdatera en mjukvarukomponent, eller alltför svårt att installera ytterligare beräkningsresurser eller sensorer, då skulle hela systemet snabbt föråldras.
Foto Saab
Centralt för ett IMA-system är att man säkerställer att olika funktioner inte kan störa varandra. Detta kan åstadkommas genom en rumslig partitionering (val av hårdvaruresurs) tillsammans med en temporal partitionering (schemaläggning) av systemet. I ett distribuerat integrerat avioniksystem finns det en plattform som tillhandahåller resurser i form av minne och körtid till mjukvarukomponenterna samt hanterar all kommunikation mellan olika mjukvarusystem och yttre integrerade sensorer. Här går industrin mot modulära arkitekturer med väldefinierade, standardiserade gränssnitt, och med en tydlig separation mellan den abstrakta systemmodell som mjukvara utvecklas mot och den konkreta hårdvara som sen driver systemet. Exempel är FACE och Pyramid. En nyckelteknologi är Time Sensitive Networking (TSN), en samling standarder för kommunikation över Ethernet som bland annat tillåter schemalagd trafik och ”best effort” trafik att samexistera. Ytterligare ett exempel är virtualiserad hårdvara i form av virtuella maskiner, som möjliggör flexibel partitionering av den fysiska hårdvaran.
Nya matematiska modeller och algoritmer behövs för att nyttja systemen till fullo
Dessa flexibla tekniker och standarder har många fördelar, men för att kunna nyttja systemets resurser och flexibilitet på ett effektivt sätt behöver ett antal komplexa resursallokerings- och schemaläggningsbeslut hanteras. Detta kommer sig av att alla aktiviteter, även trafik i TSN-nätverket, behöver schemaläggas. Därtill ska processorer partitioneras i virtuella maskiner på lämpligt sätt och aktiviteter fördelas över dessa. Såväl resursallokering som schemaläggning kan hanteras genom att lösa NP-svåra diskreta optimeringsproblem, men storskaligheten och strukturen hos dessa gör dem extremt beräkningskrävande.
Att använda standardprogramvaror för att lösa denna typ av optimeringsproblem är inte ett realistiskt alternativ och avsaknaden av lämpliga metoder för att besluta om resursallokering och schemaläggning riskerar att hämma den fortsatta teknikutvecklingen. För att fullt ut kunna nyttja den inneboende potential som finns i dessa system så krävs nya matematiska modeller och algoritmer som är speciellt utvecklade för schemaläggning och resursallokering för denna typ av avionikarkitekturer och kommunikationsprotokoll.
Organisation
Projektet är ett samarbete mellan Saab Aeronautics och Linköpings universitet och är delfinansierat av det nationella flygtekniska forskningsprogrammet (NFFP).
